CN110690186B - 一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法，从下至上依次包括Cu基底、金属过渡层和CVD金刚石薄膜，Cu基底上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm的微通孔，金属过渡层的表面静电组装金刚石纳米颗粒。本发明散热效果优于Ag、Cu、Al等传统热沉片，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性，以及金刚石的形核密度；微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。

Description

一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法
技术领域
本发明属于金刚石材料应用技术领域，具体涉及一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法。
背景技术
随着微电子集成技术和空芯印制板高密度组装技术的飞速进展，电子元部件和电子系统的设计和生产不断向小型化、轻量化、紧凑化、高效化的方向发展。电子元部件和电子系统的功率密度越来越高，导致运行过程中产生大量的热量，这些热量若不及时排除，将会严重影响电子元部件和电子系统的工作稳定性和安全可靠性，因此，散热问题成为电子技术领域一个亟待解决的关键性课题。Ag、 Cu、Al等传统的电子封装散热材料由于热膨胀系数大，受热后膨胀容易引发循环热应力损坏电子元器件，显然已不能满足目前先进电子技术对封装散热材料的要求。
金刚石的热导率最高可达2000W/(m·K)，将金刚石和具有高热导率的金属 Cu复合，有望可获得高热导、低膨胀、低密度的理想新型电子封装散热材料，室温下其热导率有望达到450W/(m·K)～1200W/(m·K)，热膨胀系数在4×10-6～ 6×10-6K-1之间，与Si、GaAs等半导体材料相匹配，Cu基金刚石热沉片可以很好地解决现代大功率、高密度电子元部件和电子系统的散热问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法，形成一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，利用金刚石的高热导率来现代大功率、高密度电子元部件和电子系统的散热问题。
本发明采用以下技术方案：
一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，从下至上依次包括Cu基底、金属过渡层和CVD金刚石薄膜，Cu基底上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm 的微通孔，金属过渡层的表面静电组装金刚石纳米颗粒。
具体的，微通孔的形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
进一步的，Cu基底为纯度99.99％～99.999％的无氧铜，直径为10～20mm，厚度为0.5～1mm。
具体的，CVD金刚石薄膜的厚度为0.2～0.3mm。
具体的，中间金属过渡层的厚度为50～100nm，金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2～6nm。
本发明的另一个技术方案是，一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，包括以下步骤：
S1、对Cu基底表面进行清洗；
S2、对Cu基底蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒；
S4、采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜；
S5、采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列。
具体的，步骤S1中，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精和去离子水对Cu基底清洗3～5min，然后使用氮气吹干。
具体的，步骤S2中，溅射功率为80～100W，气压为1.0～1.5Pa，温度为300～400℃，Ar气流量为20～30sccm，时间10～15min；制备金属过渡层的材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝。
具体的，步骤S4中，采用热丝CVD、燃烧火焰法CVD、电子辅助、微波等离子体CVD、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD或混合物理化学气相CVD 方法，以CH4、H2作为反应气体，CH4气体流量0.5～1.0sccm，H2气体流量 500～800sccm，衬底温度850～1000℃，气压80～100Torr，微波功率400～500W，生长时间5～8h。
具体的，步骤S5具体为：
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上并固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度为 105～109W/cm2；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率为200～300W，单脉冲能量为30～35J，脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为 10～50Hz；
S504、根据微通过阵列图样参数，控制扫描振镜X、Y偏转方向，使其在 Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔，微通孔的直径为0.3～0.5mm，通孔间距为2～3mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于Ag、Cu、Al等传统热沉片；在Cu基底和金刚石薄膜之间引入可形成碳化物金属过渡层，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性；在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒，大大提高了金刚石的形核密度；相比于传统的上下两层的串联结构Cu基金刚石薄膜热沉片，微通孔Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。
进一步的，微通孔Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优；另外，相比于传统的上下两层的串联结构Cu基金刚石薄膜热沉片，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制；相比于金刚石粉体颗粒/铜复合热沉片，微通道Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了连续金刚石散热通道，解决了金刚石粉体颗粒在Cu中分布连续带来的对热沉片散热性能的限制。
进一步的，热沉片的基底为Cu基底，Cu具有良好的导热性能、价格低，金刚石和Cu复合，有望可获得高热导、低膨胀、低密度的理想新型电子封装散热材料，室温下其热导率有望达到450W/(m·K)～1200W/(m·K)，热膨胀系数在4× 10-6～6×10-6K-1之间，与Si、GaAs等半导体材料相匹配，特别适合制作高速运算或高功率半导体芯片的衬底及导热材料。
进一步的，CVD金刚石薄膜的厚度为0.2～0.3mm，金刚石薄膜厚度过薄，会使得金刚石膜的热阻增加，影响散热性能；由于金刚石本身比较昂贵，金刚石薄膜厚度过厚，会增加热沉片的成本。
进一步的，微通孔Cu基CVD金刚石热沉片中间金属过渡层的厚度为 50～100nm，金属过渡层厚度过薄，起不到增强Cu基底和金刚石薄膜粘附性的目的；过厚，过渡层金属将会影响到Cu基底的作用。金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2～6nm，这种结构和尺寸比较有利于CVD金刚石的形核，可以提高金刚石薄膜的生长速率。
一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，对Cu基底表面进行清洗，以获得清洁的Cu基底；接着，在Cu基底表面表面蒸镀形成碳化物金属过渡层，来提高Cu基和金刚石的结合力；然后，在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒，以提高金刚石的形核密度和生长速率；再采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜，利用金刚石的高热导率来提高热沉片的散热性能；最后，采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列，微通孔在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。
进一步的，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精和去离子水对Cu基底清洗3～5min，去除Cu基底上氧化物和有机物污染，然后使用氮气吹干，以获得清洁、干燥的 Cu基底表面。
进一步的，在Cu基底表面蒸镀钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等可形成碳化物金属过渡层，来提高Cu基和金刚石的结合力。主要工艺参数为：溅射功率为80～100W，气压为1.0～1.5Pa，温度为300～400℃， Ar气流量为20～30sccm，时间10～15min，该工艺条件下过渡金属成膜质量高。
进一步的，采用热丝CVD、燃烧火焰法CVD、电子辅助、微波等离子体CVD、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD或混合物理化学气相CVD方法以CH4、 H2作为反应气体在Cu基底上生长金刚石薄膜，主要工艺参数为：CH4气体流量 0.5～1.0sccm，H2气体流量500～800sccm，衬底温度850～1000℃，气压80～100Torr，微波功率400～500W，生长时间5～8h，该工艺条件下生长的金刚石样品晶粒较大，多为正方形和三角形，金刚石表面晶粒完整，形状规则且结合紧密，金刚石品相良好。
进一步的，采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形；激光器为YAG固体激光器，YAG 固体激光器平均功率为200～300W，单脉冲能量为30～35J，脉冲宽度为 0.3～0.6ms，重复频率为10～50Hz；根据微通过阵列图样参数，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置。由于微通孔在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了 Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。
综上所述，本发明散热效果优于Ag、Cu、Al等传统热沉片，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性，以及金刚石的形核密度；微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片示意图，其中，(a)为剖面图，(b)为俯视图，(c)为顶视图；
图2为本发明Cu基底示意图；
图3为本发明Cu基底表面生长的金属过渡层示意图；
图4为本发明Cu基底表面金属过渡层上静电组装的金刚石纳米颗粒示意图；
图5为本发明Cu基底表面金属过渡层上静电组装的金刚石纳米颗粒后金刚石CVD生长示意图；
图6为本发明Cu基底激光打孔制作通孔阵列示意图；
图7为本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片导热性能数值模拟结果图；
图8为本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片金刚石的拉曼(Roman) 光谱图；
图9为本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片金刚石的扫描电子显微镜(SEM)形貌图。
其中：1.Cu基底；2.金属过渡层；3.纳米金刚石颗粒；4.CVD金刚石薄膜； 5.激光束。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，底部为微通孔模板，上部为CVD金刚石薄膜4，中间为金属过渡层2。
微通孔模板的材料为纯度99.99％～99.999％的无氧铜，直径10～20mm，厚度 0.5～1mm；微通孔采用激光打孔法在Cu基底1上制作，微通孔呈阵列分布，微通孔的直径为0.3～0.5mm，间距为2～3mm，微通孔的形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
CVD金刚石薄膜4的厚度为0.2～0.3mm；CVD金刚石薄膜4的生长方法包括热丝CVD(HFCVD)、燃烧火焰CVD、电子辅助CVD(EACVD)、微波等离子体CVD(MPCVD)、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD、混合物理化学气相CVD(HPCVD)等；
中间金属过渡层2的厚度为50～100nm，金属过渡层2的材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等，可在Cu基底1与CVD 金刚石薄膜4之间形成碳化物，提高Cu基底1与CVD金刚石薄膜4的粘附性。
本发明一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，包括以下步骤：
S1、对Cu基底表面进行清洗；
请参阅图2，将纯度99.99％～99.999％，直径10～20mm的无氧铜基体线切割成0.5～1mm的铜片作为Cu基底。
依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精、去离子水对Cu基底进行清洗3～5min，去除氧化膜和Cu基底表面的有机物，氮气吹干。
S2、Cu基底表面蒸镀形成碳化物金属过渡层，提高Cu基和金刚石的结合力，
主要工艺参数：溅射功率80～100W，气压1.0～1.5Pa，温度300～400℃，Ar 气流量20～30sccm，时间10～15min；金属过渡层材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇、铝等，如图3所示；
S3、过渡金属表面静电组装金刚石纳米颗粒，提高金属过渡层上金刚石的形核密度，所述金刚石纳米颗粒呈球状，平均粒径2～6nm，如图4所示；
S4、在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上采用CVD 方法生长金刚石薄膜；
以CH4、H2作为反应气体，在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上CVD生长金刚石薄，CH4气体流量0.5～1.0sccm，H2气体流量 500～800sccm，衬底温度850～1000℃，气压80～100Torr，微波功率400～500W，生长时间5～8h。
CVD方法包括热丝CVD(HFCVD)、燃烧火焰法CVD、电子辅助(EACVD)、微波等离子体CVD(MPCVD)、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD、混合物理化学气相CVD(HPCVD)等。
最后采用拉曼(Roman)光谱仪和电子显微镜对样品进行表征与分析。
S5、采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列。
请参阅图5，制作微通孔阵列，主要包括以下步骤：
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上，用夹具固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度 105～109W/cm2之间；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率200～300W可调，单脉冲能量为30～35J可调，脉冲宽度为0.3～0.6ms可调，重复频率10～50Hz可调；
S504、根据微通过阵列图样参数，编写扫描振镜控制程序，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔程序，对准打孔，所述微通孔的直径为0.3～0.5mm，通孔间距2～3mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形、正八边形等，如图6所示。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
S1、将纯度99.99％，直径10mm的无氧铜基体线切割成0.5mm的铜片作为 Cu基底，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精、去离子水对Cu基底进行清洗3min，去除氧化膜和Cu基底表面的有机物，氮气吹干；
S2、控制溅射功率80W，气压1.0Pa，温度300℃，Ar气流量20sccm，时间10min；金属过渡层材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等，在Cu基底表面蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、过渡金属表面静电组装金刚石纳米颗粒，提高金属过渡层上金刚石的形核密度，所述金刚石纳米颗粒呈球状，平均粒径2nm；
S4、以CH4、H2作为反应气体，在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上CVD生长金刚石薄，CH4气体流量0.5sccm，H2气体流量 500sccm，衬底温度850℃，气压80Torr，微波功率400W，生长时间5h，在Cu 基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上采用CVD方法生长金刚石薄膜；最后采用拉曼(Roman)光谱仪和电子显微镜对样品进行表征与分析。
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上，用夹具固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度 105W/cm2之间；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率200W可调，单脉冲能量为30J可调，脉冲宽度为0.3ms可调，重复频率10Hz 可调；
S504、根据微通过阵列图样参数，编写扫描振镜控制程序，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔程序，对准打孔，所述微通孔的直径为0.3mm，通孔间距2mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
实施例2
S1、将纯度99.99％，直径14mm的无氧铜基体线切割成0.6mm的铜片作为 Cu基底，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精、去离子水对Cu基底进行清洗4min，去除氧化膜和Cu基底表面的有机物，氮气吹干；
S2、控制溅射功率80～100W，气压1.2Pa，温度340℃，Ar气流量24sccm，时间12min；金属过渡层材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等，在Cu基底表面蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、过渡金属表面静电组装金刚石纳米颗粒，提高金属过渡层上金刚石的形核密度，所述金刚石纳米颗粒呈球状，平均粒径4nm；
S4、以CH4、H2作为反应气体，在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上CVD生长金刚石薄，CH4气体流量0.7sccm，H2气体流量 600sccm，衬底温度900℃，气压90Torr，微波功率450W，生长时间6h，在Cu 基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上采用CVD方法生长金刚石薄膜；最后采用拉曼(Roman)光谱仪和电子显微镜对样品进行表征与分析。
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上，用夹具固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度 106W/cm2之间；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率250W可调，单脉冲能量为32J可调，脉冲宽度为0.4ms可调，重复频率30Hz 可调；
S504、根据微通过阵列图样参数，编写扫描振镜控制程序，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔程序，对准打孔，所述微通孔的直径为0.4mm，通孔间距2.4mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
实施例3
S1、将纯度99.999％，直径18mm的无氧铜基体线切割成0.8mm的铜片作为 Cu基底，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精、去离子水对Cu基底进行清洗4min，去除氧化膜和Cu基底表面的有机物，氮气吹干；
S2、控制溅射功率80～100W，气压1.4Pa，温度380℃，Ar气流量28sccm，时间14min；金属过渡层材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等，在Cu基底表面蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、过渡金属表面静电组装金刚石纳米颗粒，提高金属过渡层上金刚石的形核密度，所述金刚石纳米颗粒呈球状，平均粒径5nm；
S4、以CH4、H2作为反应气体，在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上CVD生长金刚石薄，CH4气体流量0.9sccm，H2气体流量 700sccm，衬底温度950℃，气压95Torr，微波功率480W，生长时间7h，在Cu 基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上采用CVD方法生长金刚石薄膜；最后采用拉曼(Roman)光谱仪和电子显微镜对样品进行表征与分析。
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上，用夹具固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度 108W/cm2之间；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率280W可调，单脉冲能量为34J可调，脉冲宽度为0.5ms可调，重复频率40Hz 可调；
S504、根据微通过阵列图样参数，编写扫描振镜控制程序，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔程序，对准打孔，所述微通孔的直径为0.4mm，通孔间距2.8mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
实施例4
S1、将纯度99.999％，直径20mm的无氧铜基体线切割成1mm的铜片作为 Cu基底，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精、去离子水对Cu基底进行清洗5min，去除氧化膜和Cu基底表面的有机物，氮气吹干；
S2、控制溅射功率100W，气压1.5Pa，温度400℃，Ar气流量30sccm，时间15min；金属过渡层材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝等，在Cu基底表面蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、过渡金属表面静电组装金刚石纳米颗粒，提高金属过渡层上金刚石的形核密度，所述金刚石纳米颗粒呈球状，平均粒径6nm；
S4、以CH4、H2作为反应气体，在Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上CVD生长金刚石薄，CH4气体流量1.0sccm，H2气体流量 800sccm，衬底温度1000℃，气压100Torr，微波功率500W，生长时间8h，在 Cu基底表面金属过渡层上的静电组装金刚石纳米颗粒上采用CVD方法生长金刚石薄膜；最后采用拉曼(Roman)光谱仪和电子显微镜对样品进行表征与分析。
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上，用夹具固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度 109W/cm2之间；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率300W可调，单脉冲能量为35J可调，脉冲宽度为0.6ms可调，重复频率50Hz 可调；
S504、根据微通过阵列图样参数，编写扫描振镜控制程序，控制扫描振镜X、 Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔程序，对准打孔，所述微通孔的直径为0.5mm，通孔间距3mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。
本发明与现有的技术相比的优点在于：
(1)所述发明方法采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于Ag、Cu、 Al等传统热沉片。
(2)在Cu基底和金刚石薄膜之间引入可形成碳化物金属过渡层，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性；
(3)在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒，大大提高了金刚石的形核密度；
(4)相比于传统的上下两层的串联结构Cu基金刚石薄膜热沉片，微通孔 Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了纵向空气散热通道，如图4所示，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。
请参阅图7，本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片导热性能数值模拟结果中可以看出金刚石表面和切向温度梯度明显，等温线清晰，表面本发明具有良好的导热性能。
请参阅图8，本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片金刚石的拉曼 (Roman)光谱图中可以看到峰值位于1350cm-1处的多晶金刚石的Raman散射特征峰，表明所生长的金刚石呈多晶状。
请参阅图9，本发明微通孔Cu基CVD金刚石复合热沉片金刚石的扫描电子显微镜(SEM)形貌图中可以看到金刚石样品表明晶粒较大，多为正方形和三角形，金刚石表面晶粒完整，形状规则且结合紧密，金刚石品相良好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对Cu基底表面进行清洗；
S2、对Cu基底蒸镀形成碳化物金属过渡层，溅射功率为80W，气压为1.0Pa，温度为300oC，Ar气流量为20sccm，时间10min；制备金属过渡层的材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝；
S3、在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒；
S4、采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜，采用热丝CVD、燃烧火焰法CVD、电子辅助、微波等离子体CVD、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD或混合物理化学气相CVD方法，以CH4、H2作为反应气体，CH4气体流量1.0sccm，H2气体流量800sccm，衬底温度1000℃，气压100Torr，微波功率500W，生长时间8h；
S5、采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列，步骤S5具体为：
S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上并固定；
S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度为109W/cm2；
S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率为300W，单脉冲能量为35J，脉冲宽度为0.6ms，重复频率为50Hz；
S504、根据微通过阵列图样参数，控制扫描振镜X、Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；
S505、运行激光打孔，微通孔的直径为0.5mm，通孔间距为3mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形；
制备的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片从下至上依次包括Cu基底（1）、金属过渡层（2）和CVD金刚石薄膜（4），Cu基底（1）为纯度99.99%的无氧铜，直径为10mm，厚度为0.5mm，金属过渡层（2）的表面静电组装金刚石纳米颗粒，CVD金刚石薄膜（4）的厚度为0.2mm，中间金属过渡层（2）的厚度为50nm，金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精和去离子水对Cu基底清洗3~5min，然后使用氮气吹干。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114682929A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 华为技术有限公司 金刚石膜穿孔加工的方法和系统
CN113594101B (zh) * 2021-07-19 2023-09-01 合肥圣达电子科技实业有限公司 一种金属封装外壳及其制作方法
CN114749800B (zh) * 2022-04-12 2023-05-09 西安交通大学 一种紫外纳秒激光加工金刚石微槽热沉的方法
CN115449769B (zh) * 2022-10-28 2023-11-21 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1274020A (zh) * 2000-05-15 2000-11-22 北京工业大学 金刚石薄膜冷阴极结构及其制备方法
CN102244051A (zh) * 2011-06-22 2011-11-16 中南大学 一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法
CN102634793A (zh) * 2012-04-20 2012-08-15 郑州大学 柔性衬底纳米金刚石薄膜及其制备方法与应用
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1274020A (zh) * 2000-05-15 2000-11-22 北京工业大学 金刚石薄膜冷阴极结构及其制备方法
CN102244051A (zh) * 2011-06-22 2011-11-16 中南大学 一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法
CN102634793A (zh) * 2012-04-20 2012-08-15 郑州大学 柔性衬底纳米金刚石薄膜及其制备方法与应用
CN105803242A (zh) * 2016-03-21 2016-07-27 中南大学 一种片状与线状导热材料耦合增强复合材料及制备方法

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